Российские ученые разработали компактные приборы для оценки риска обрушения в шахтах и рудниках. Одна система определяет приближение забоя к геологическому нарушению по изменению спектра угля. Другая фиксирует электромагнитное излучение, которое возникает при разрушении горной породы, и показывает степень опасности в реальном времени.
Обе разработки предназначены для подземных работ, где обвал кровли, горный удар или выброс газа могут возникнуть в зоне нарушенного массива. Компактное оборудование должно помочь инженерам быстрее оценивать состояние выработки и принимать меры до аварии.
Спектрометр для контроля угольного пласта
Специалисты Института физики горных процессов в Донецке собрали малогабаритный низкопольный спектрометр ядерного магнитного резонанса. Устройство создала молодежная лаборатория, которая изучает электромагнитные свойства угля и горных пород.
Прибор выглядит как небольшой чемоданчик с электроникой внутри. Его магнитное поле улавливает сигнал атомов водорода в угле. Если забой приближается к геологическому нарушению, спектр меняется. Программа обрабатывает измерения в цифровом виде и выдает признак приближения опасной зоны.
Разработчикам удалось отказаться от громоздкой системы охлаждения. Усилитель работает короткими импульсами, поэтому конструкция стала компактнее, а цена устройства ниже по сравнению с более сложными вариантами оборудования.
Первые замеры провели на шахте №22 «Коммунаровская» в Макеевке. Прибор верно указал на приближение к нарушению: угольный пласт в забое сместился примерно на один метр. Исследователи также проверили более серьезные разрывы. Характерные сдвиги спектра фиксировались во всех случаях.
Сейчас устройство дорабатывают. Следующий этап связан с анализом угля естественной влажности. Если образцы не придется предварительно сушить, измерение станет удобнее для работы непосредственно на горном участке.
Портативная система для прогноза разрушения породы
Другой компактный прибор разработал Иван Смирнягин. Его испытали на горнодобывающих предприятиях Кузбасса: Таштагольском руднике, Шерегешевском месторождении и шахте имени Кирова в Ленинск-Кузнецке.
Принцип работы системы основан на регистрации электромагнитных волн, которые излучает горная порода в процессе разрушения. Прибор отображает на дисплее форму сигнала и степень опасности в реальном времени. Полученные сведения позволяют вовремя принять меры и разгрузить опасный участок массива горной выработки.
Разработчик рассчитывает уменьшить устройство до размера смартфона. В дальнейшем он планирует внедрить систему датчиков в телекоммуникационную сеть, чтобы передавать результаты на пульт управления горнодобывающего предприятия в реальном времени.
«Аппаратура регистрации электромагнитного излучения позволяет прогнозировать динамические проявления горного давления в виде горных ударов и провести комплекс мероприятий по их предупреждению», рассказал Иван Смирнягин.
Разработка была представлена на XVI Международном салоне изобретений и новых технологий «Новое время», который прошел в Севастополе. Проектом автор занимается с первого курса учебы в НГТУ НЭТИ. Сейчас Иван Смирнягин учится на втором курсе магистратуры.
Чем новые приборы отличаются от существующего оборудования
| Параметр | Спектрометр из Донецка | Прибор Ивана Смирнягина |
|---|---|---|
| Что измеряет система | Изменение спектра угля | Электромагнитные волны разрушения породы |
| Какой риск оценивает | Приближение забоя к геологическому нарушению | Динамические проявления горного давления и горные удары |
| Формат результата | Цифровые расчеты и характерный сдвиг спектра | Форма сигнала и степень опасности на дисплее |
| Где проверяли | Шахта «Коммунаровская» в Макеевке | Предприятия Кузбасса |
Авторы второй разработки сравнивают ее с аналогами по нескольким параметрам. Существующие приборы могут быть более громоздкими и тяжелыми, требовать специальных навыков и выдавать результат только через стационарный компьютер. Некоторые системы предупреждают об опасности всего за несколько секунд до обрушения.
Иван Смирнягин связывает ограничения аналогов с менее современной элементной базой, устаревшими алгоритмами и методиками. Для своего прибора он разработал собственную методику прогноза обрушений и собирается патентовать ее в этом году.
Какие задачи сможет решать система мониторинга
Научный руководитель проекта, старший преподаватель кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств НГТУ НЭТИ Алексей Бизяев отметил, что прибор собирает сведения, на основе которых можно построить нейронную сеть. В перспективе процесс прогноза динамических проявлений горного давления сможет самообучаться.
Разработчик также указывает на возможность проводить быстрые измерения на любом участке разрабатываемого массива. Прибору не требуется контакт с породой, а сама процедура не связана с разрушающим воздействием на нее. Для горнодобывающих предприятий это означает возможность обследовать опасные зоны без длительной подготовки.
Область применения не ограничивается шахтами. По словам Ивана Смирнягина, технология может использоваться на рудниках, при добыче полезных ископаемых и при диагностике старых строений, которым угрожает обрушение из-за повышенного трещинообразования в основании.
Сможет ли компактная аппаратура заменить стационарный мониторинг? Источники описывают ее как инструмент оперативного контроля и прогноза. Для полного внедрения потребуется завершить доработку, испытания и настройку передачи показаний на пульт управления.
Значение разработки для безопасности подземных работ
В Донбассе глубина шахт усиливает сложность горных работ. С увеличением глубины растет концентрация метана, угольные пласты пересекают нарушения, а впереди забоя может находиться разлом. Обвалы и выбросы газа в таких условиях создают опасность для людей и оборудования.
Новые приборы решают разные задачи, но работают на общей цели. Они помогают получить сведения о состоянии угольного пласта или массива до того, как разрушение перейдет в аварию. Чем раньше инженер видит изменение сигнала, тем больше времени остается для разгрузки участка и организации мер безопасности.
Для шахт и рудников особенно важны портативность, скорость измерения и понятный результат. Чемоданный спектрометр и прибор с дисплеем уже прошли первые проверки на реальных объектах. Дальнейшая работа сосредоточена на расширении условий применения, уменьшении размеров и подключении датчиков к общей системе мониторинга.
Частые вопросы
Что показывает разработанное компактное устройство для оценки риска обрушения в шахтах?
Спектрометр из Донецка показывает приближение забоя к геологическому нарушению по сдвигу спектра угля. Прибор Ивана Смирнягина отображает форму электромагнитного сигнала и степень опасности в реальном времени.
Где уже испытали приборы для мониторинга горных выработок?
Спектрометр проверили на шахте №22 «Коммунаровская» в Макеевке. Вторую разработку испытали на Таштагольском руднике, Шерегешевском месторождении и шахте имени Кирова в Ленинск-Кузнецке.
Можно ли проводить измерения без контакта с горной породой?
Для прибора Ивана Смирнягина контакт с породой не требуется. Научный руководитель проекта отметил, что аналогичные системы могут требовать контакта или разрушающего воздействия, а новая разработка позволяет быстро и безопасно выполнять замеры на участке массива.
Почему новые приборы сделали компактными?
Компактный формат упрощает работу на подземном участке. Авторы второй разработки указывают, что аналоги могут быть громоздкими и тяжелыми, а их результат иногда доступен только через стационарный компьютер.
Что планируют доработать в устройствах?
Спектрометр хотят приспособить для анализа угля естественной влажности без предварительной сушки. Для прибора Смирнягина планируют уменьшить размеры до смартфона и подключить систему датчиков к телекоммуникационной сети предприятия.
Позиция экспертов Реестр Гарант
Разработка объединяет измерительную систему, программную обработку сигнала и практическую задачу безопасности на подземном участке. Важно, что приборы уже проверили на шахте и горнодобывающих предприятиях, а дальнейшая работа направлена на измерения в реальном времени и расширение условий применения. Для конструкторской проработки такого оборудования особенно значимы компактность, устойчивость измерений и понятная индикация опасного состояния.